虚拟现实在下肢康复治疗中的应用及设备研究

汤一格，韦宇炜，胡兆勇，王俊华

（1.广东工业大学，广东 广州 510000；2.广东省第二中医院，广东 广州 510000）

虚拟现实在下肢康复治疗中的应用及设备研究

汤一格1，韦宇炜1，胡兆勇1，王俊华2

（1.广东工业大学，广东 广州 510000；2.广东省第二中医院，广东 广州 510000）

虚拟现实技术起源于20世纪60年代，至今它已经广泛应用于医疗、教育、经济、娱乐甚至军事领域，为用户提供各种逼真的体验。在康复医疗中，虚拟现实为患者提供身临其境的沉浸感，使患者能够通过与场景的交互来进行感官刺激，达到康复训练的目的。近年来，很多研究证实，虚拟现实技术能够改善下肢运动障碍的病人的下肢运动功能。本文主要介绍虚拟现实用于下肢康复在国内外的应用研究情况。

虚拟现实；下肢康复；研究现状

0 引言

人体下肢在人类的日常生活中起着至关重要的作用，由于我国的人口老龄化，老年人越来越多，在这之中有很多人患上了脑血管疾病以及神经系统疾病，他们的行走以及站立存在功能性障碍，还有一些人因为意外发生了交通事故而造成下肢瘫痪。针对这些患者，传统的治疗方式包括治疗师的按摩、针灸、熏蒸等外加一些简单的训练器械进行治疗，训练单调无趣且其效率很低。

虚拟现实（Virtual Reality），又称虚拟环境，是由计算机硬件和软件合成人工环境，使沉浸其中的用户产生视觉、听觉、触觉上的体验，并且让用户能够在创造的这个空间中进行人机交互，给其一种身临其境的真实感觉。

医疗事业在不断进步发展，近几年虚拟现实(VR)在医学临床研究上有不少研究，例如，在一些注意力缺陷、记忆障碍、感知障碍等认知康复，焦虑症、抑郁症等精神上的情绪障碍康复，运动障碍、平衡协调性障碍与多动症等运动障碍康复等，在这些临床研究中应用了虚拟现实，并取得好的疗效。

脑卒中、注意缺陷多动症、帕金森症、获得性脑损伤等多种原因都有可能导致运动障碍，患者不能自己将空间视觉、运动控制、知觉运动、任务概念、反馈信息等因素有效地进行整合，这样，他们的生活无法自理，给自己以及家人带来极大的不便。有感知缺陷或者运动功能障碍的患者能够通过VR技术进行康复训练，主要方法有物理疗法、作业疗法、技能训练、生活训练、语言训练和心理咨询等，使精神上及身体的部分或全部功能得到最大限度地恢复，从而达到最大可能的生活自理甚至劳动和工作能力的恢复。

1 虚拟现实下肢康复训练对比传统康复疗法

虚拟现实应用于康复医疗中是由Wann和Turnbull在1993年首次提出。与传统下肢康复治疗进行比较，虚拟现实的应用能够让患者通过虚拟的环境，给他们身临其境的感觉，这种沉浸让患者的训练变得有趣，能够给训练体验带来正向的驱动力量。将虚拟现实应用于下肢康复治疗有如下特点：

（1）趣味性：能够提供给患者丰富多样的训练方式，以及多样的训练场景；

（2）真实性：在虚拟的场景中训练，可以让感官受到刺激，患者在虚拟的训练环境中训练，并且能够将训练过程中练习的技能应用到日常生活中；

（3）反馈性：能够在虚拟的环境添加很多反馈信息，让应用了虚拟现实的康复训练变得轻松有趣，同时也能够使患者的康复信息的到提高；

（4）独特性：应用了虚拟现实的康复系统能够对患者的治疗方式进行个性化设置，将训练与评测结合起来，做到因人而异。

2 基于虚拟现实的下肢康复治疗在国外的研究应用

日本香川大学智能机械系统与工程学系和学校医院的康复医学部门合作开发了一套应用了虚拟现实的滑雪系统，如图1。它主要用于运动治疗中，可以给缓则提供虚拟滑雪训练，患者通过控制虚拟的滑板左右摆动，从而达到训练的目的，如图1所示。

加拿大蒙特利尔McGill大学犹太康复医院和魁北克康复研究协会合作研究出了一套基于虚拟现实技术的多自由度反馈的下肢训练器，如图2所示。他们在计算机中建立了跟现实生活一样的一个三维场景，在这个场景中患者需要进行过街训练。场景中的模型有患者本身，还有一些由计算机控制的虚拟的人以及正常行驶的汽车等。研究人员想要这种具有真实意义的并且能给患者带来强烈真实感的训练让患者达到正常人的步态及步速，能够让他们具备和正常人一样独立地生活的能力。

图1 虚拟现实滑雪系统

图2 下肢训练器

Yang等和Walker等在运动平板前放置一个电视屏幕，为参与者显示虚拟环境。这个虚拟环境是模拟人在街道行走的，利用一个头盔式传感器提供计算机一个姿势的反馈，如图3所示。

一系列研究表明，与单单只进行平板训练的人相对比，虚拟现实结合了减重平板进行训练的脑卒中患者在步行速度和社区步行测试上获得的改善更大，日常生活能力也得到更大提高。You等利用基于虚拟现实的游戏系统针对患者的步行能力进行训练，研究结果发现，步行速度、社区中的行走距离，以及跨越的台阶数均有明显增加。

图3 Yang等和Walker等的运动平板训练系统

3 基于虚拟现实的下肢康复治疗在国内的研究应用

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统。仿真能够使用户沉浸到该环境中，并能够与虚拟环境进行直接互动从而产生与现实世界中相同的反馈信息。

孟凡、贾晓宏等表示基于虚拟游戏建立的视觉生物反馈技术，能够让患者与虚拟环境进行互动，同时布置一个个虚拟人物让患者取完成，这样的训练能够让患者感觉有趣，更加具有目的性，通过这种方式能够提高功能训练效果。中山大学肖湘等将虚拟现实与同步减重步态训练（BWSTT）相结合，把12个脑卒中患者，他们都是发病3个月内的患者，将他们随机分组，分为试验组和常规组两个组，利用三维步态进行分析，评估虚拟现实与同步BWSTT对脑卒中患者步态的影响。研究结果表明虚拟现实同步BWSTT可改善脑卒中患者的平衡能力和步行速度。

张雷杰等人提出了一种基于虚拟现实的步态训练康复机器人系统，该系统解决了传统下肢康复训练单一乏味的问题。虚拟游戏以脑—机接口为启动端口，以线程方式在系统中运行，以单例设计模式为主要模式，通过与系统控制主软件协同合作，对病人的步态速度、心跳等生理信息进行快速合理有效的存取操作，并将速度等信息恰当地体现在游戏中。引入了虚拟游戏后，康复训练过程变得更有趣味性，这也在很大程度上提高了病人进行康复训练的积极性。

广州中医药大学刘言薇等人通过把80例脑卒中患者按照随机数字表达为治疗组（40例）和对照组（40例），对照组采取一般内科药物和常规康复训练，治疗组在对照组基础上应用虚拟现实技术训练，采用三维步态分析和下肢Fugly-Meyer运动功能评分（FMA）评估两组下肢步行功能。结果表明，治疗后两组患者FMA评分及三维步态军明显优于治疗前，且治疗组优于对照组。

因此虚拟现实技术能够应用在下肢康复讯可怜中，并且对脑卒中患者下肢步行功能有促进作用。

林玲，江利，肖湘等人研究了虚拟现实(VR)结合减重平板训练(VR+BWSTT)对急性脑卒中患者步行功能早期回复中的作用和机制，他们将11例急性缺血性脑卒中患者随机分入跑台组(6例)和常规组(5例)，分别采用不同的康复训练方案，并在康复训练前及训练后3周、3个月和6个月各进行一次脑功能成像和下肢运动功能的评定。

结果表明跑台组步行速度和下肢Fugl-Meyer评分进步程度较常规组显著，跑台组进步较大的患者患肢对侧旁中央小叶(PCL)激活强度较训练前增大较明显；患肢运动激活辅助运动区(SMA)的LI值训练后3周多数为负值；跑台组6名患者中有4名患者在训练后3周患肢运动时出现双侧前额叶皮层多发激活区。

这结果可说明VR+BWSTT对脑卒中患者步行功能的改善作用优于常规步态训练；下肢功能恢复的中枢神经机制与上肢不完全相同，VR的作用机制可能与双侧前额叶皮质有关。

4 虚拟现实在下肢康复治疗中仍存在的问题及展望

结合虚拟现实技术的康复治疗在康复治疗领域取得了令人满意的效果，但这种技术的应用尚存在一些不足：

（1）没有相关的治疗评估。

（2）硬件的技术要求需要进一步发展来支持相应的软件。

（3）虚拟现实技术的开发人员需要对与虚拟现实技术相关的软硬件有着深刻的认识，并且还需要对人体的心理生理等有一定程度的认知。

（4）硬件要求较高，制造成本比较昂贵，无法大规模推广应用。

传统下肢康复治疗枯燥乏味，有了虚拟现实这一元素的加入，把枯燥的训练变得生动有趣。随着虚拟现实技术的不断发展，人机交互技术的不断提高，未来将康复治疗需求与VR技术、机电技术交叉结合，一定能够给患者带来更好的康复治疗效果。

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1671-0711（2016）11（下）-0107-03

广东省科技计划项目，项目编号：2013B010102010，项目名称：基于功能电刺激的瘫痪患者步态康复训练机器人的设计及研发。